风冷、液冷还是直冷?解析电池包热管理系统的温控技术
电池包(PACK)内的温度环境对电芯的可靠性、寿命及性能都有很大的影响,因此,使PACK内温度维持的一定的温度范围区间内就显示尤其重要。这主要是通过冷却与加热来实现,这里我们对风冷、液冷、直冷三种冷却方式进行简单介绍。
风冷
风冷是以低温空气为介质,利用热的对流,降低电池温度的一种散热方式,分为自然冷却和强制冷却(利用风机等)。该技术利用自然风或风机,配合汽车自带的蒸发器为电池降温,系统结构简单、便于维护,在早期的电动乘用车应用广泛,如日产聆风(参数|图片)(Nissan Leaf)、起亚Soul EV等,在目前的电动巴士、电动物流车中也被广泛采纳。
风冷的基本原理图如下:
风冷原理示意图
起亚Soul(参数|图片) EV风冷路径
液冷
液体冷却技术通过液体对流换热,将电池产生的热量带走,降低电池温度。液体介质的换热系数高、热容量大、冷却速度快,对降低最高温度、提升电池组温度场一致性的效果显著,同时,热管理系统的体积也相对较小。液冷系统形式较为灵活: 可将电池单体或模块沉浸在液体中,也可在电池模块间设置冷却通道,或在电池底部采用冷却板。电池与液体直接接触时,液体必须保证绝缘( 如矿物油) ,避免短路。同时,对液冷系统的气密性要求也较高。此外,就是机械强度,耐振动性,以及寿命要求。
液冷是目前许多电动乘用车的优选方案,国内外的典型产品如宝马i3(参数|图片)、特斯拉、通用沃蓝达(Volt)、华晨宝马之诺、吉利帝豪EV(参数|图片)。
液冷的基本原理图如下:
液冷基本原理图
VOLT的冷却液为乙二醇溶液,每个软包电芯大面冷却,并行流道、紧凑性性、成本较低。
GM VOLT冷却2D图
GM VOLT 5并联冷却通道
GM Volt冷却结构实体图
与VOLT的并行流道相比,特斯拉的液冷采用串行流道,冷板安装于电池间隙,这个设计的结构设计难度较大,同时,蛇形冷板在较大程度上增加了液冷系统的压力损失。
TESLA液冷结构2D示意图
特斯拉液冷结构3D示意图
特斯拉液冷结构实体图
VOLT和特斯拉的冷却方式的对比:
直冷
直冷(制冷剂直接冷却):利用制冷剂(R134a等)蒸发潜热的原理,在整车或电池系统中建立空调系统,将空调系统的蒸发器安装在电池系统中,制冷剂在蒸发器中蒸发并快速高效地将电池系统的热量带走,从完成对电池系统冷却的作业。
目前通过直冷的冷却方式基本在电动乘用车上,最典型的如BMW i3(i3有液冷、直冷两种冷却方案)。
宝马i3冷却系统结构
直冷冷却的优点在于:
(a)冷却效率比液冷高出3~4倍;
(b)更能满足快充需求;
(c)结构紧凑;
(d)潜在地降低了成本;
(e)避免了乙二醇溶液在电池箱体内部流动